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BOOST电路pid和fuzzy闭环控制仿真

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BOOST电路pid和fuzzy闭环控
制仿真

2

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1

1.设计要求
（1）输入电压范围为50-98V，输出电压为100V，额定负载下输入电
流20A；

（2）纹波（峰峰值）不超过1%；
（3）在75V输入条件下效率大于96%。
2.boost电路拓扑和各参数值
电感参数计算：选定输入电压为75V来计算各参数，此时稳态占
空比为0.25，输出电压为100V，开关频率为100KHz。

为保持输出电流连续，设电容电流增量为Ioc，应有Ioc中

2
)1(2DDLTUIooc

2
)1(202LDDTUo

代入可求得电感值为HL52.375.025.02021001025。在仿真中，
为了保证电感电流续流，我们取HL20。
电容参数计算：电容的选择主要是考虑纹波小于1%，即1V，根据
boost电路的纹波计算公式：

RCDTU
o

o

U
2

可以推出
HRUDTUCoo50105.01025.01005

在仿真中，为了确保输出电压纹波小于设定值，C取H500。

3.PID控制器的boost电路仿真
用PID控制器控制的闭环boost电路的原理图如图3.1所示

图3.1 PID控制的闭环boost电路原理图
经过小信号建模可得开环传递函数为

2'2
2'
'
)/()1()(DsRLLCsRDsLUDsGovd

代入数据可得
3

11056.31078.1s1074.434.13375.0)10/1020(105001020)1075.010201(10075.0)(62842626626ss
ss
s
sG
vd

在matlab中输入下面的程序作出bode图3.2
num=[-4.74e-4 133.34];
den=[1.78e-8 3.56e-6 1];
margin(num,den);

图3.2 开环系统bode图
由图可知，系统的幅值裕度为dBGMo5.42，相位裕度为

4.170，剪切频率为srad/109.84c0

。
4

下面进行超前PD校正，使前向通道传递函数满足45。
超前PD校正装置传递函数是

TsaTsksGc1
1
)(
1

超前PD校正装置增加的相角为


700


m

则有

3.32sin1sin1mma

设定超前PD校正后的剪切频率为1/5的开关频率，即剪切频率为
20kHz，再由公式

f2
得
sradc/1026.15'

。

令超前PD校正装置'cm,校正装置的转折频率为
sradam/10217.23.321026.1451

sradam/10161.73.321026.1552

可以求出
54110511.410217.211
aT
5

65210396.110161.711
T

得到校正不含增益的校正装置
ssTsaTssGc65'110396.1110511.4111)(

现在算增益K值，用上式校正装置对系统进行校正，程序如下：
num=conv([4.511e-5 1],[-4.74e-4 133.34]);
den=conv([1.396e-6 1],[1.78e-8 3.56e-6 1]);
margin(num,den);
运行程序得到bode图如图3.3所示：

图3.3 用不含增益的超前PD校正装置校正的系统bode图
6

加上校正装置的系统k值后，系统的穿越频率应为设定的频率
sradc/1026.15'

，在图3.3中找出在频率51026.1处的幅值，由于在
图中1.26不好选定，就选出一个大致的1.17来参考，可以看出在'c不
加k校正后系统的幅值大概为dBLc4.9)('，加上k后应该有

0lg20)('kL
c

可以算出k为0.339。
所以超前PD校正装置为

110396.1339.010529.1)()(65'11s
s
skGsG
cc

在matlab中运行下面程序看经过超前校正后的bode图3.4：
num=conv([1.529e-5 0.339],[-4.74e-4 133.34]);
den=conv([1.396e-6 1],[1.78e-8 3.56e-6 1]);
margin(num,den);
7

图3.4 超前校正后系统的bode图
可以看出进行超前校正后

幅值裕度：dBGM51.7
相角裕度：46
剪切频率：sradc/1026.151
经验证，超前PD校正为有差校正，稳态后并非达到100V，为了
减小系统的静差，增加PI校正环节。

PI环节的传递函数为

s
ssGc
)(
2

由于PD校正已经将系统校正为稳态系统，故PI校正不应影响到
系统中的中高频特性，因此PI校正主要对系统低频起作用，根据经
8

验可知11.0c，这里取srad/1000。得到PI环节为
s
ssGc1000)(2

最后根据实际仿真波形对PD,PI各环节参数进行微调，最后确定

110396.12.0104)(651s
s
sG
c

s
ssGc1000)(2

4.系统仿真
Matlab系统仿真图如图4.1所示

图4.1 matlab系统仿真图
9
在50V输入条件下，对系统进行仿真，得到仿真图4.2

图4.2（a）50V输入电压下系统的输出
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图4.2(b) 50V输入电压下输出的纹波

在75V输入条件下，对系统进行仿真，得到仿真图4.3
11
图4.3（a） 75V输入电压下系统的输出
图4.3（b） 75V输入电压下输出的纹波
12

在98V输入条件下，对系统进行仿真，得到仿真图4.4。

图4.4（a） 98V输入电压下系统的输出
图4.4（b） 98V输入电压下输出的纹波
上面这几个图能看出，输入电压变化时，波形很稳定，三个波形
都差不多，超调大概在10%左右，稍微有点大，纹波比较小，在0.1V
13

以内。
5.fuzzy控制器的boost电路仿真
用fuzzy控制器控制的boost闭环电路图如图5.1所示。

图5.1 fuzzy控制器控制的闭环boost电路原理图
本系统的模糊控制器采用二输入-一输出，变量的模糊集论域都选择
为[-1,1]，采用常用的三角形隶属度函数。

在matlab中建立fuzzy文件，两输入分别为误差E和误差变化量EC。
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图5.2 matlab建立fuzzy文件
对于输入和输出量都分别用NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB七个变量来描述，
各个变量的隶属度函数如图5.3所示。

图5.3（a） 输入变量E的隶属度函数
15

图5.3（b） 输入变量EC的隶属度函数
图5.3（c） 输出变量的隶属度函数
接着根据专家经验和系统的偏差类型确定规则库，规则库设计如表1
所示
表1 fuzzy控制器的规则库
NB NM NS Z PS PM PB
E
E
16

NB NB NB NB NM NM NS Z
NM NB NB NB NM NS Z PS
NS NB NM NM NS Z PS PM
ZE NB NS NS Z PS PM PB
PS NM NS Z PS PM PB PB
PM NS Z PS PM PB PB PB
PB Z PS PM PM PB PB PB
将隶属度函数与规则库输出fuzzy文件，得到控制器。在调试中，
需要调节的是误差E和误差EC的增益，以使fuzzy控制器的输入量
落在设定的域中，加限幅是为了防止输入量突然增大对输出的影响。
在纯fuzzy控制器作用下，主电路在输入电压偏大或偏小时输出会出
现静差，为了使输出电压稳在设定的100V，在主电路的输出与输入
之间加上一个积分环节。

令boost电路的输入电压分别为50V,75V,98V，输出波形如下图所示。

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boost电路

boost电路

一、问题重述
以boost电路通过给定输入电压、输出电压和主电路参数，理论计算电感电流纹波、电容电压纹波，并进行仿真验证；调节占空比0.3-0.8；描述占空比和电感电流纹波、电容电压纹波、电压增益（Vo/Vin）之间关系，并进行仿真验证。

电路参数Vin=300V, Vo=400V, RL=100omg, fs=100kHz, L=800uH, C=200uF,。

二、模型搭建
由书本公式U o=t on+t off
t off E=T
t off
E得到t off=0.75T, t on=0.25T，设置IGBT参数如图
三、结果分析
仿真得到输入电压E、输出电压U o、电源电流I1波形如下图
根据计算电感电流纹波公式可得Δi L=ET on
L =Eα
Lf
=300∗0.25
800∗10−6∗100∗103
=0.9375A
根据计算电容电压纹波公式可得ΔU c=Eα
(1−α)fRC =300∗0.25
0.75∗100∗200∗10−6∗100∗103
=0.05V
仿真得到Δi L=0.90A ，误差约为4%
ΔU c=0.05V ，误差为0%
将占空比从0.3至0.8每0.1计算一次输出电压，得到。

PWM与PID闭环控制

PWM与PID闭环控制

~PID控制当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。

反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。

测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。

目录概述基本用途现实意义1系统分类开环控制系统1闭环控制系统1阶跃响应1PID控制的原理和特点比例（P）控制1积分（I）控制1微分（D）控制PID控制器的参数整定1PID控制实现PID 的反馈逻辑1打开PID 功能1目标信号与反馈信号1目标值给定1反馈信号的连接1P 、I 、D 参数的预置与调整比例增益P1积分时间1微分时间D1P 、I 、D 参数的调整原则展开概述这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。

PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。

PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。

其输入 e (t)与输出u (t)的关系为u(t)=kp(e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中积分的上下限分别是0和t 因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s) 其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数基本用途它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp，Ti和Td）即可。

在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。

首先，PID应用范围广。

虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。

其次，PID参数较易整定。

也就是，PID参数Kp，Ti和Td可以根据过程的动态特性及时整定。

如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。

基于MatlabSimulink的BOOST电路仿真

基于MatlabSimulink的BOOST电路仿真

基于Matlab/Simulink的BOOST电路仿真姓名：weitor学号：**********班级：07自动化2班时间：2010年12月5日1引言BOOST 电路又称为升压型电路, 是一种直流- 直流变换电路, 其电路结构如图1 所示。

此电路在开关电源领域内占有非常重要的地位, 长期以来广泛的应用于各种电源设备的设计中。

对它工作过程的理解掌握关系到对整个开关电源领域各种电路工作过程的理解, 然而现有的书本上仅仅给出电路在理想情况下稳态工作过程的分析, 而没有提及电路从启动到稳定之间暂态的工作过程, 不利于读者理解电路的整个工作过程和升压原理。

采用matlab仿真分析方法, 可直观、详细的描述BOOST 电路由启动到达稳态的工作过程, 并对其中各种现象进行细致深入的分析, 便于我们真正掌握BOOST 电路的工作特性。

2电路组成线路由开关S、电感L、电容C组成，如图1所示，完成把电压Vs 升压到Vo的功能。

图1BOOST 电路的结构3电路的工作状态BOOST 电路的工作模式分为电感电流连续工作模式和电感电流断续工作模式。

其中电流连续模式的电路工作状态如图2 (a) 和图2 (b) 所示, 电流断续模式的电路工作状态如图2 (a)、(b)、(c) 所示, 两种工作模式的前两个工作状态相同, 电流断续型模式比电流连续型模式多出一个电感电流为零的工作状态。

（1）充电过程在充电过程中，开关闭合（三极管导通），等效电路如图2 (a)，开关（三极管）处用导线代替。

这时，输入电压流过电感。

二极管防止电容对地放电。

由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。

随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。

（2）放电过程如图2 (b)，这是当开关断开（三极管截止）时的等效电路。

当开关断开（三极管截止）时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。

电力电子课程设计-BUCK电路闭环PID控制系统的MATLAB仿真

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电力电子课程设计-BUCK电路闭环PID控制系统的MATLAB仿真CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY课程设计说明书课程设计名称:电力电子题目:BUCK电路闭环PID控制系统的MATLAB仿真—15V/5V二级学院(直属学部): 电子信息与电气工程学院专业:电气工程及其自动化班级:07电单学生姓名: 学号:指导教师姓名: 职称:讲师2011 年 1 月电力电子课程设计任务书二级学院(直属学部):电子信息与电气工程学院专业:电气工程及其自动化班级:学生姓名指导教师韩霞职称讲师课题名称 BUCK电路闭环PID控制系统的MATLAB仿真-15V/5V1、根据设计要求计算滤波电感和滤波电容的参数值，设计PID补偿网络2、采用MATLAB中simulink中的simpowersystems模型库搭建闭环降压式变换器的仿真模型3、观察系统在额定负载以及突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电课流的波形4、撰写课程设计说明书，要求包括:题一、封面二、目录工三、正文1、降压变换器的基本原理作2、BUCK变换器主电路参数设计2.1设计内容及要求内 2.2主电路设计(占空比、滤波电感、滤波电容的设计)3、BUCK变换器闭环PID控制的参数设计容 3.1主电路传函分析3.2补偿环节的设计4、BUCK变换器闭环系统的仿真4.1仿真参数及过程描述4.2仿真模型图及仿真结果5、总结(含心得体会)6、参考文献(不少于6篇)21、输入直流电压(V):15V IN2、输出电压(Vo):5V3、输出电流(I):10A N指标4、输出电压纹波峰-峰值 Vpp?50mV)5、锯齿波幅值Um=1.5V 目标6、开关频率(fs):100kHZ )要7、采样网络传函H(s)=0.3 求8、BUCK主电路二极管的通态压降V=0.5V，电感中的电阻压降V=0.1V,开DL关管导通压降V=0.5V,滤波电容C与电解电容R的乘积为75uΩ*F ONC第1天阅读课程设计指导书，熟悉设计要求和设计方法第2天根据设计原理计算相关主要元件参数以及完成PID系统的设计进第3天熟悉MATLAB仿真软件的使用，构建系统仿真模型程安第4天仿真调试，记录要求测量波形排第5天撰写课程设计说明书1、电力电子课程设计任务书本院编2、电力电子课程设计指导书本院编3、王创社，乐开端等，开关电源两种控制模式的分析与比较，电力电子技术，1998，3，78一81; 主4、徐辅东，电流型控制开关变换器的研究与优化，西南交通大学硕士论文，要2000年4月。